Декабрь
1 декабряФизика на кухне: «раздавленная банка»
Простой, но очень эффектный опыт поможет вам продемонстрировать могущество атмосферного давления, а также свойства насыщенного водяного пара. Итак, возьмите жестяную банку из-под чая или кофе. Главное, чтобы крышка плотно закрывалась. Налейте в банку немного воды и поставьте на плиту – пусть кипит несколько минут, чтобы водяной пар полностью вытеснил воздух из банки. Теперь снимите банку с плиты и плотно закройте крышку. Для быстрого охлаждения поставьте банку в раковину и облейте холодной водой. Пар в банке конденсируется, давление резко упадет, и… вы будете изумлены: банка сожмется и сплющится! Внимание: обливая банку водой, не трогайте ее руками – берегите пальцы! Что же произошло? Часто пытаются объяснить «катастрофу» понижением давления воздуха внутри банки, но простой расчет показывает, что это понижение очень незначительно и явно недостаточно. Здесь ключевую роль играет резкое снижение давления насыщенных паров воды, которые конденсируются на охлаждаемых стенках банки. Давление насыщенного водяного пара резко уменьшается при понижении температуры: при 100 °C оно равно одной атмосфере, а при 20 °C – менее 0,03 атмосферы. А поскольку воздуха в банке осталось очень мало (помните, он был вытеснен паром при кипячении), некому противостоять внешнему атмосферному давлению. Жестяные стенки для него – пустяк!
Из школьных ответов: «Насыщенные пары отличаются от ненасыщенных тем, что они уже насытились…»
2 декабряЭнрико Ферми
2 декабря 1942 года в США под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901–1954) был запущен первый в мире ядерный реактор.
Ферми с ранних лет отличался необыкновенными способностями. У него была к тому же феноменальная память: прочтя книгу хотя бы один раз, он знал ее почти наизусть. На вступительных экзаменах в Реальную высшую Нормальную школу в Пизе Ферми изумил экзаменаторов своими обширными знаниями и точностью ответов и был отмечен как «нечто исключительное». После стажировки в Германии – «эпицентре» квантовой физики – Ферми стал профессором Римского университета и «отцом» первой в Италии школы как теоретической, так и экспериментальной физики. Здесь Ферми выполнил работы, приведшие его к получению Нобелевской премии «за открытие искусственной радиоактивности, вызванной медленными нейтронами» (см. 25 марта). Во время второй мировой войны Ферми вынужден был эмигрировать в США. Там он участвовал в создании первой атомной бомбы. И ему же первому удалось «приручить» атом и положить начало управляемому производству атомной энергии. В его честь назван 100-й химический элемент – фермий, в США учреждена премия имени Э. Ферми, его имя присвоено Чикагскому университету ядерных исследований.
«Ферми терпеть не мог ошибаться. В своих мыслях он мог вынашивать самые дерзкие гипотезы, но никогда не публиковал их прежде, чем они не были солидно подтверждены. Точно также он никогда не давал кому-либо обещаний и даже не подавал надежды, если не был уверен, что сможет сдержать слово» (из воспоминаний друга Ферми Э. Сегре).
3 декабряЗвуки, которые мы не слышим
3 декабря 1872 года с английского брига «Дея Грация» заметили бригантину «Мария Целеста».
По поведению бригантины опытным морякам стало понятно, что ею никто не управляет. Когда они поднялись на борт, на судне не было ни души. В матросском кубрике койки были аккуратно заправлены, все рундуки целы, а на столе лежали недокуренные трубки. На камбузе находился большой запас пресной воды и продуктов. Что же могло произойти с судном и его людьми? В истории мореплавания известно несколько подобных случаев. Многие из них остаются загадкой до сих пор. А между тем известно, что при шторме в океане ухудшается самочувствие людей на берегу, возрастает число самоубийств и дорожных происшествий. Это явление получило название «голос моря». Его причиной являются порождаемые штормовой волной инфразвуки, частота которых меньше 20 колебаний в секунду. Инфразвуковая волна распространяется с гораздо большей скоростью, чем штормовая, поэтому воздействует на людей, находящихся даже далеко от места шторма. Инфразвуки человек не слышит, но чувствует. Так, при испытании генераторов инфразвука у исследователей возникают страх, беспокойство, потеря чувства равновесия. При увеличении мощности генератора появляется сильная боль во внутренних органах. Инфразвук с частотой семь колебаний в секунду смертельно опасен для человека, так как может вызвать остановку сердца.
Были попытки использовать инфразвук в кинотеатрах при демонстрации фильмов ужасов. Результат оказался катастрофическим: публику охватила паника. Такие попытки были запрещены.
4 декабряЗакон всегда прав!
4 декабря 1930 года Вольфганг Паули отправил письмо, в котором впервые изложил гипотезу о существовании нейтрино.
К 1930 году были известны всего две элементарные частицы: протон и электрон. В то время физики зашли в тупик: закон сохранения энергии, который еще никогда не подводил, похоже, нарушался при радиоактивном бета-распаде ядер – часть энергии куда-то пропадала. Даже Нильс Бор «не устоял» и предположил возможность нарушения закона сохранения энергии в микромире. Но Паули нашел другое объяснение этой пропаже. Он предположил, что пропавшую энергию уносит неизвестная частица – нейтральная и очень легкая, поэтому она не регистрируется обычными способами. Свою идею он изложил в письме участникам Международной конференции по вопросам радиоактивности. «Дорогие радиоактивные дамы и господа, – писал Паули, – …я предпринял отчаянную попытку спасти закон сохранения энергии…» (далее излагалась гипотеза о новой частице). К счастью, это письмо сохранила «радиоактивная дама» Лиза Мейтнер, благодаря которой мы знаем точную дату рождения в мире физики этой самой таинственной и неуловимой частицы. В своем письме Паули назвал призрачную частицу нейтроном. Два года спустя Энрико Ферми предложил для легкой частицы Паули имя нейтрино.
Паули был уверен, что нейтрино никогда не удастся поймать. Он даже заключил об этом пари. 25 лет спустя пари он проиграл. Сегодня физики ловят нейтрино от ядерных реакторов и ускорителей, взрывов сверхновых звезд, из центра Солнца и т. д. Ежесекундно через ваше тело проходит миллион миллиардов нейтрино.
5 декабряСоотношение неопределенностей
5 декабря 1901 года родился Вернер Гейзенберг, немецкий физик, лауреат Нобелевской премии 1932 года «за создание квантовой механики» (ум. 1976).
Вернер Гейзенберг был одним из учеников Нильса Бора. В их жарких спорах постепенно рождалось понимание совершенно иного мира – мира микрочастиц. Общие законы природы, проявляясь в микромире, приводят к непривычным для нашего ума следствиям. Так, нам представляется естественным знать одновременно положение и скорость объекта (эта информация позволяет предсказывать его траекторию). Совсем иное дело в микромире: определяя положение микрочастицы, мы «грубо вмешиваемся в ее жизнь», результатом чего становится неопределенность ее дальнейшего движения, т. е. скорости и траектории. В 1927 году Гейзенберг записал знаменитое соотношение неопределенностей для координаты (Dх) и соответствующей проекции импульса (Dр) частицы. Чем точнее мы измеряем одну из этих величин, тем неопределеннее становится вторая. Их произведение не может быть меньше постоянной Планка h = 6,6 × 10-34 кг·м2/c – фундаментальной константы, присутствующей во всех квантовых законах. Итак, Dх × Dр» h. Постоянная Планка так мала, что это соотношение нисколько не ограничивает точность наших измерений для привычных объектов (даже маленьких пылинок). Но для элементарных частиц, например, электрона в атоме, одновременное знание координаты и скорости становится невозможным.
Гейзенберг ехал на машине и превысил скорость.
Его останавливает дорожная полиция:
– Вы знаете, с какой скоростью едете?
– Нет, зато я точно знаю, где нахожусь.
6 декабряЧто такое диамагнетизм
6 декабря 1845 года Фарадей представил свою статью «О магнитном состоянии всякого вещества», где изложил открытие диамагнетизма.
Ходячее выражение: притягивает, как магнит. На протяжении столетий люди связывали магнетизм с притяжением. Но еще в 1778 году голландский ученый А. Бургманс обнаружил, что магнит может и отталкивать! Он положил в бумажный кораблик кусочек висмута, поставил кораблик на воду и поднес сильный магнит. Кораблик уплывал от магнита (кстати, этот опыт не так-то просто повторить – уж очень слабо действует магнит на висмут). Сообщение Бургманса ученые не приняли всерьез. А в 1845 году 54-летний и уже знаменитый Майкл Фарадей взялся исследовать магнитные свойства веществ. Он подвешивал на длинной нити образцы между полюсами сильного магнита. Оказалось, что все вещества так или иначе реагируют на магнитное поле. Но одни вещества притягивались к ближайшему полюсу магнита, а другие отталкивались от обоих полюсов. Если брать образцы в форме стерженьков, то первые устанавливались вдоль силовых линий магнитного поля, а вторые – поперек. Так возникли названия: парамагнетик (греч. «пара» – вдоль) и диамагнетик («диа» – поперек). Фарадей перепробовал уйму веществ и убедился, что большинство из них – диамагнетики. В их числе оказались: слоновая кость, баранина вяленая, говядина вяленая, говядина свежая, кровь свежая, хлеб, шелковичный червь… Так Фарадей заново открыл диамагнетизм. Надо добавить, что диамагнетики хоть и реагируют на магнитное поле, но чрезвычайно слабо. Именно поэтому они так долго и «скрывались» от ученых.